如果GPS失灵 研究人员可根据LEO信号计算精确的位置

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This article is part of our exclusive IEEE Journal Watch series in partnership with IEEE Xplore.（https://spectrum.ieee.org/collections/journal-watch/）

自20世纪70年代全球定位系统（Global Positioning System，GPS）首次问世以来，它一直是许多事情的重要组成部分，无论是个人导航、农业、航空还是军事行动。但是，如果过于依赖这项技术，一旦失败或被黑客入侵，就会带来巨大的风险，这促使研究人员探索替代方案。

在最近的一项进展中，一个研究团队成功地使用一组近地轨道（low Earth orbit，LEO）卫星计算了它们在几米内的地面位置，在某些情况下优于当今的GPS惯性导航系统（GPS-inertial navigation system，INS）。

俄亥俄州立大学CARMEN的主任Zak Kassas在担心GPS故障后，于2014年首次开始探索GPS的替代方案。他说，GPS信号在某些情况下可能是不可靠的，比如在室内或茂密的树冠下，GPS信号的干扰和阻挡在过去几年里急剧上升。

他说：“这扰乱了美国和世界各地的机场和港口运营，造成了拼共乘的混乱，使船只陷入混乱，导致无人机坠毁，并在军事冲突中变得司空见惯。通过观察所有的这些情况，我认为我们应该在一切为时已晚之前找到一个替代GPS的备用方案。”

全球定位系统目前依赖于在地球中等轨道（约20000公里高）上运行的31颗卫星。但Kassas将目光投向了未来十年准备发射的数万颗低轨卫星，这些卫星距离地球的距离约为地球的20倍。这意味着它们将拥有更强的信号，使其更难干扰或受欺骗，并且在没有GPS信号的环境中更可靠。Kassas的想法是使用地面接收器来检测低轨卫星的信标信号，以确定它们的相对位置，然后使用这些信息来计算地面接收器的位置。

但是，尽管全球定位系统卫星的数据向公众开放，但低轨卫星是私人所有的，其信标信号不公开。因此，Kassas的团队开发了一种算法，可以破译卫星的未知信标信号。

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接下来，他们开发了另一种算法，称为同时跟踪和导航（simultaneous tracking and navigationSTAN）。Kassas解释道：“[STAN]基本上可以检测低轨卫星的存在，破译其信标，并跟踪信号，同时估计卫星的位置，使我们能够预估到卫星的距离。”

2021年，Kassas的团队成功解码了Starlink卫星的信号，并使用其中六颗卫星将自己在地球上的位置跟踪到10米以内。后来的尝试将追踪距离缩小到了6.5米。在他们最近的进展中，他们开发了一种几乎可以与任何卫星星座配合使用的接收器，并在四家不同公司的卫星上进行了测试，即Iridium NEXT，OneWeb，Orbcomm，和SpaceX的Starlink，以更高的精度在地球上进行定位。他们在2023 IEEE/ION Position, Location and Navigation Symposium (PLANS)论文中（https://www.ion.org/plans/）描述了这一进展。

在他们的论文中，该团队描述了一个固定的地面实验，在该实验中，他们能够使用四种不同类型的低轨卫星在俄亥俄州实验室的屋顶上精确定位他们的真实位置，误差约为5米。Kassas指出，这是第一次有人能够破解OneWeb信号进行定位和导航。

在第二个实验中，研究人员将现成的接收器安装在汽车顶部，一边开车一边收听来自四个低轨卫星星座（一个OneWeb、四个Starlink、一个Iridium NEXT和两个Orbcomm卫星）的信号。

当有人在开车或移动时，GPS信号丢失，GPS/INS系统会根据他们的轨迹来估计这个人的位置，这会很快累积误差。

在他们的驾驶实验中，研究小组在切断GPS之前开车行驶了100米，并继续行驶了近一公里。传统的GPS/INS系统预测它们的位置距离真实位置约500米，而STAN系统仅相距4.4米，这证明了当GPS出现故障时，STAN算法可能非常有用。

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Kassas说：“这就像在黑暗中射击，但却以惊人的精度击中目标。”他指出，这种方法使用了许多未知变量来成功地找到目标。我们正在处理的卫星位置不确定，我们只知道卫星在几公里内的位置，这些卫星正在传输我们不太了解的信号。然而，我们能够利用卫星的信号以令人印象深刻的精度定位自己。”

Kassas指出，尽管有这些令人兴奋的第一个里程碑，但这项技术仍处于初级阶段。例如，STAN仍然无法像GPS那样实现实时导航，一些算法仍需改进。Kassas说：“我们还没有在所有环境中测试我们的方法，所以很难评估这些信号是否能让你随时随地进行导航。”

目前，研究人员已经申请了专利，并表示他们受到了来自不同行业的初创公司和科技巨头的广泛关注，有兴趣讨论其商业化。如果一切按计划进行，STAN算法可能会引导我们走上一条替代GPS的道路。